diagnostic et contrôle dun faisceau en protonthérapie, en vue dune alternance rapide entre salles...
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Diagnostic et contrôle d’un faisceau en protonthérapie, en vue d’une alternance
rapide entre salles
CENTRE DE PROTONTHERAPIE D'ORSAY CPO
Ludovic De Marzi
9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003
PlanPlan
• Le Centre de Protonthérapie d’Orsay
• Le projet d’alternance rapide
• Le contrôle de qualité du faisceau
• Expérimentations et résultats: -positionnement du faisceau -mesure du parcours -implémentation des nouveaux aimants
• Conclusion
CPO
9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003
Le Centre de Protonthérapie d’OrsayLe Centre de Protonthérapie d’Orsay
• Synchro-cyclotron (IPN/CNRS 1975)
• Dédié exclusivement au médical depuis 1991
• Traitements par protons de 200 Mev
(intracrânien) ou 73 Mev (ophtalmologiques)
• 2800 patients traités depuis 1991
CPO
9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003
CPO
Intérêt des protonsIntérêt des protons
Protons : Particules lourdes et chargées
Propriétés:
• Parcours fini
• Faibles diffusions latérales de part leur masse (environ 2000 fois celle de
l’électron) les protons diffusent peu latéralement. maximum de dépôt de dose en fin de parcours.
Avantages:
• Limitation de la dose aux tissus sains
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CPO
Exemple de dosimétrie prévisionnelle(photons vs protons)
Exemple de dosimétrie prévisionnelle(photons vs protons)
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CPOAimant de déviation
AccélérateurLe transport du faisceauLe transport du faisceau
A'1
A1
PV1
PV2
2A'1
A1
PV1
PV2
2
A2A2
A.P.C.E.E.
Vide S.C
1
PompageTurbo
A.P.C.E.E.
Vide S.C
1
PompageTurbo
Salle accélérateur• Ligne de transport sous vide
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Salle de traitement
Y1
Salle de traitement
Y2
La conformation du faisceauLa conformation du faisceau
CPO
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Diffusion passive
Gestion dynamique du faisceau
CPO
Le transport du faisceauLe transport du faisceau
• Ligne de mise en forme dans l’air (diffusion passive)
Profondeur d’eau
Dose relative (%)
Ajustement du parcoursDose relative (%)
1009080706050403020100
Profondeur d’eau
Modulation
Conformation en profondeur
Axe transverse
Collimateur
Diffuseur
Intensité
Diffusion
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L’alternance rapideL’alternance rapide
• Changement de salle, travail en parallèle
CPO
- Évolution du contrôle de qualité : nécessité d’une
nouvelle instrumentation temps réel.
- Aimants de déviations vers les salles de traitement :
-vieillissement de l’actuel aimant A2 -technologie du feuilleté
- Alternance rapide: nombre de patients doublé à partir de mars 2004
-réglage des paramètres -contrôles: consigne et référence-traitement
2 mn2 mn
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CPO0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Do
se r
ela
tiv
e (%
)
Profondeur (cm eau)
4 Gy/min
Pondération énergétique
Le contrôle de qualité : avant les traitementsLe contrôle de qualité : avant les traitements
• Bragg
effectué du côté médical
Énergie du faisceau
• Profils
effectué du côté technique
Positionnement du faisceau prédiffuseur
collimateur
diffuseur
Critères du CQ:
-Précision: ±0.5mm
-Inhomogénéité: 2%
-Cuve Wellhöfer
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CPO
Le contrôle de qualité : pendant la journéeLe contrôle de qualité : pendant la journée
Positionnement du faisceau
• Vérification du positionnement avant le banc optique par les chambres à fils.
Énergie du faisceau
• Pas de contrôle direct
collimateur
diffuseur
profileur
Chambre à bandes
Banc optique
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Expérimentations et résultatsExpérimentations et résultats
• Le positionnement du faisceau
CPO
• Objectifs: Développer une procédure de centrage avec les aimants de déviation (manuelle puis automatique)
• Méthodes: – Test de la chambre d ’ionisation à bandes– Tests de critères statistiques– Conception d’un détecteur à ‘pads’
• Conditions de référence: – Faisceau de 200MeV– Parcours de 13.9cm
collimateur
diffuseur
profileur
Chambre à bandes
Banc optique
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CPO
Matériel : Carte d’acquisition TERA spécifique
Contrôle temps réel
Données
Q
Coupure faisceauou réglages paramètres
QN
KETHLEYSoft : ADWIN
- Info. Braggomètre- Info. Strip chamber
Supervision
1
64600fC
Enregistrement des paramètres
Vérification des profils
(symétrie, homogénéité)
Vérification du parcours
Expérimentations et résultatsExpérimentations et résultats
• Le positionnement du faisceau
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CPO
Expérimentations et résultatsExpérimentations et résultats
• Le positionnement du faisceau
• Matériel: - chambre d’ionisation à bandes
(GSI)
barycentreH=(fCVY1,CHY1) Stripchamber
5,14
5,16
5,18
5,2
5,22
5,24
5,26
5,28
-9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9CY1 (Intensité)
bary
cen
tre s
trip
ni
barycentreH=f(CHY1)
barycentreH=f(CVY1)
BarycentreH=f(CVY1,CHY1) Profileur
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
-9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9CY1 (Intensité)
bary
centr
e n
i
barycentreH=f(CHY1)
barycentreH=f(CVY1)
• Résultats:
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CPO
Expérimentations et résultatsExpérimentations et résultats
• Le positionnement du faisceau
• Matériel: - chambre d’ionisation à ‘pads’
• Résultats:
CROSS V
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 2 4 6 8 10 12 14bande no
kurtosis=f(melcherCH)
-15
-14,5
-14
-13,5
-13
-12,5
-12
0 2 4 6 8
melcher
kurt
osi
s
kurtosis
Kurtosis = moment d’ordre 4Kurtosis = moment d’ordre 4
9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003
CPO
Expérimentations et résultatsExpérimentations et résultats
• Conclusions sur le positionnement du faisceau
- Une nouvelle procédure de centrage côté technique qui gère seul les paramètres machine.
-Aucun critère de quantification de l’inhomogénéité (qui doit rester <2%) n’a été trouvé avec Wellhöfer pour le centrage actuel.
-La sensibilité de la chambre à bandes est insuffisante: effets surfaciques et bruitage du signal.
-La chambre à ‘pads’ (prototype) permet avec le kurtosis de trouver la position centrée du faisceau: commande au service détecteur de GSI.
9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003
Expérimentations et résultatsExpérimentations et résultats
• La mesure du parcours
CPO
• Objectifs: Étude des causes de variation de parcours et développement d’un système de mesure non intrusif.
• Méthodes:– Étude du système de mesure du parcours en fonction des
paramètres de faisceaulogie– Développement du « braggomètre »
• Conditions de référence: – Faisceau de 200MeV
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CPO
• Matériel: - cuve à eau Wellhöfer
• Résultats:
-imprécision de la mesure
(mécanique et géométrique)
-dépendance de l’opérateur
(position du détecteur)
Expérimentations et résultatsExpérimentations et résultats
• La mesure du parcours: méthode actuelle
• Méthodes:
-étude de la mesure du parcours
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CPO
• Matériel: - cuve à eau Wellhöfer
• Résultats:
Expérimentations et résultatsExpérimentations et résultats
• La mesure du parcours: méthode actuelle
Parcours mesuré en fonction du temps
13,76
13,78
13,8
13,82
13,84
13,86
13,88
13,9
13,92
13,94
13,96
13,98
0 20 40 60 80 100 120 140jours
pa
rco
urs
en
cm
mise en place contacteur
début melchers
• Méthode:
-étude de la pénombre et des paramètres du synchro-cyclotron: faisceau poly-énergétique
-mesure du parcours en faisant varier les paramètres: A2, A1, A’1
-mesure lors du contrôle de qualité
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CPO
« Braggomètre » : -ionisation dans l’air
Points de mesure
-signal recueilli sur des plaques annulaires: non intrusif, relatif
-différentes épaisseurs d’aluminium devant chaque plaque
Expérimentations et résultatsExpérimentations et résultats
• La mesure du parcours: pour l ’alternance rapide
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CPO
• Matériel: - ‘Braggomètre’
• Résultats:
Expérimentations et résultatsExpérimentations et résultats
• La mesure du parcours: pour l ’alternance rapide
rendements en profondeur
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
profondeur (cm)
do
se e
n %
90pb1
20pb1
130pb1
110pb1
• Méthodes:
-étude (films) pour le positionnement et le design du détecteur.
-programmation et traitement des données brutes de la carte d’acquisition.
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CPO
-Le faisceau est polyénergétique, le parcours ne bouge pas lorsque certains éléments de la ligne tels que A2 ou les déviateurs varient. La dérive en champ des aimants joue sur le centrage, apparemment pas sur le parcours.
- Des améliorations du ‘braggomètre’ ont été proposées, notamment concernant la géométrie du détecteur au vu de l’expérience de la chambre à ‘pads’.
Expérimentations et résultatsExpérimentations et résultats
• Conclusions sur la mesure du parcours
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Expérimentations et résultatsExpérimentations et résultats• Implémentation des nouveaux aimants
CPO
• Objectifs: Étudier le comportement des aimants feuilletés soumis à une consigne ‘rapide’ (<30s)
• Problèmes liés aux aimants de déviation:– Différentes causes de dérive en champ des aimants: -courants de Foucault induits dans le noyau -réchauffement du matériau dans le temps -dérive en température du circuit de refroidissement– Hystérésis
9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003
Aimant massif
Aimant massif Aimant
feuilleté
Aimant feuilleté
CPO
• Matériel: -alimentations en courant (JEMA)
-aimant en acier massif
-gaussmètre, sonde à effet Hall
• Résultats:
-épaisseur de feuilletage de 1.5mm<2 à 1Hz
-les fluctuations en courant engendrent des fluctuations en champ de même ordre de grandeur (10-5 à 5.10-4).
Expérimentations et résultatsExpérimentations et résultats
• Implémentation des nouveaux aimants
9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003
CPO
-Usage du feuilleté permet d’améliorer la rapidité (moins de courants de foucault) et la reproductibilité: il pourra être utile d’alimenter ces aimants avec des cycles particuliers pour les stabiliser ou minimiser les effets des hystérésis.
-L’ordre de grandeur des fluctuations instantanées en courant ou en champ est trop faible pour avoir une incidence sur les profils.
- A priori, prépondérance des effets thermiques sur les dérives en champ des aimants.
Expérimentations et résultatsExpérimentations et résultats
• Conclusions sur l ’implémentation des nouveaux aimants
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CPO
CONCLUSIONCONCLUSION
• Un contrôle de qualité du positionnement du faisceau doit être réalisé en un temps très rapide pour l ’alternance rapide: de nouveaux détecteurs sont développés par le CPO et différents partenaires (IPN, GANIL, INFN, GSI).
• Assurance qualité pendant le traitement : une boucle de rétroaction active sur certains éléments est envisageable.
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CPO
RemerciementsRemerciements
• Samuel Meyroneinc
• Catherine Nauraye
• Régis Ferrand
• Frédéric Martin
• Le personnel du CPO, de l ’IPNO
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